La biomecánica estudia la relación entre el movimiento (sistema esquelético) y la fuerza (sistema muscular) permitiéndonos conocer los límites de nuestras capacidades, el umbral del confort y qué diseño es óptimo para la seguridad.

Usa las leyes de la física y conceptos de ingeniería para analizar las actividades en términos de movimiento y fuerza.

La biomecánica analiza los mecanismos de lesión en los tejidos biológicos, propone métodos de diseño de productos para cargas tolerables por los tejidos y establece formas de ampliar o restaurar las capacidades y la funcionalidad humana (por ejemplo mediante el diseño de prótesis o exoesqueletos).

Medimos la fuerza a través de electro-goniómetros o dinamómetros.

Un mal diseño biomecánico puede ser el de una rueda de un ratón que tenga poca fluidez en su movimiento, que por ejemplo esté demasiado “dura” a la hora de girarla lo que supone un mayor esfuerzo por parte del usuario.

La fatiga es el agotamiento corporal o mental que se produce a causa de un esfuerzo y se caracteriza por la incapacidad para realizar tareas físicas con el ritmo y fuerza habituales.

Postura

Conservación dinámica de la posición (erguida, sedente, etc...) del cuerpo, donde se establecen relaciones recíprocas de los distintos segmentos corporales entre sí y con el espacio. Es el resultado de un largo proceso por el que se equilibra bípeda o sedentemente el ser humano.

Cada persona pasa por este proceso y obtendrá un resultado diferente, donde no existe una postura óptima para todos los individuos, sino que cada uno tendrá a suya propia.

Postura neutra

Según criterios mecánicos podemos definir la postura ideal como la que conlleva la mínima tensión y rigidez, permitiendo la máxima eficacia con un gasto de energía mínimo, una función articular eficaz, buena coordinación y bienestar. Podemos decir que es la postura escogida para establecer los límites de confort biomecánicos y analizar los factores de riesgo.

Sistema corporal

Elementos del sistema humano corporal objeto de la evaluación biomecánica.

Tejido óseo

Los huesos permiten la inserción de los músculos, aportan rigidez al cuerpo. Permite generar los movimientos a través de las articulaciones.

Cumplen una función de sostén y protección en el organismo y la síntesis de células de la sangre a partir de la médula ósea.

Para definir los límites óseos en cuanto a las propiedades mecánicas:

  • Resistencia y dureza. Permite soportar las cargas de las actividades.
  • Elasticidad y flexibilidad. Nos aporta los límites de carga del hueso.

Propiedades mecánicas del hueso

  • Resistencia: capacidad de no alterarse, siendo uno de los tejidos más resistentes y de mayor dureza del cuerpo humano.
  • Rigidez: capacidad de no deformarse o desplazarse.
  • Anisotropía: dependiendo de la dirección del esfuerzo varían sus características.

El tejido óseo se adapta a la actividad mecánica, aunque es una adaptación pequeña comparado con los músculos.

Tipos de solicitaciones:

Se sacan tablas estandarizadas a partir de las propiedades de los huesos, y de cada tipo de solicitación. Se coloca a ensayo un material similar al hueso y se les somete a las distintas solicitaciones. Sometemos las solicitaciones a movimientos estáticos y dinámicos que se pueden dar en una actividad laboral y a impactos, definiendo así la parte de traumatismo acumulativo y la parte de traumatismo inmediato.

Factores que afectan al desarrollo óseo

En el diseño de tareas se deberían evitar tener partes inmovilizadas. Los traumatismos se dan antes cuando tenemos partes inmovilizadas.

El estado de salud de la persona también afecta a la probabilidad de sufrir traumatismos, una persona atlética es menos propensa a sufrir un traumatismo. Al igual que en el caso de las personas con hábitos posturales no adecuados.

Los traumatismos más comunes son los inmediatos, es decir, las roturas.

Cartílagos

Los cartílagos son texturas y materiales que sirven como estructura de soporte y que otorgan cierta movilidad a las articulaciones. Sirven como amortiguación entre hueso y hueso mejorando el movimiento (lubricación) para evitar el desgaste de los huesos.

Características

  • Suavidad
  • Dureza
  • Flexibilidad

Compuestos por células de condrocita y una matriz colágena extracelular. El colágeno a medida que se va desgastando y consumiendo, hace que el juego de la articulación sea peor provocando el desgaste del hueso. Esto se produce en personas que realizan actividades con movimientos bruscos y que tienen una mala alimentación.

Existen tres tipos de cartílagos:

  • Hialino (cubren la mayoría de las articulaciones)
  • Fibrocartílago (tienen más resistencia, formados por fibras)
  • Elásticos (funcionan como huesos, por ejemplo en la nariz, pero no se estudian en la biomecánica)

La forma de funcionar de los cartílagos es similar a la de un fluido. Puede estar sometido a compresión y conforme se comprime el líquido se mueve modificando las propiedades mecánicas. Funciona como un material viscoso, tras  retirar el esfuerzo va recuperando su forma.

Tendones

Los tendones son los elementos que unen los músculos con los huesos. Permiten generar todos los movimientos del cuerpo. El tendón se suele identificar en el hueso correspondiente en el que esté situado, uniendo el músculo con el hueso en su parte final.

Cuando el músculo se contrae tira del tendón que, a su vez, tira del hueso al que está conectado, creando un movimiento.

Se realizan experimentos para ver cual es la mayor elongación posible que permite volver a su elongación normal.

Hay varias fases:

  • Base. El tendón cambia su longitud un 3%, cuando termina la carga vuelve a su longitud inicial.
  • Lineal. Alargamiento del tendón de entre el 3% al 5%. El tendón recupera su longitud inicial al cesar la carga.
  • Cesión. El ligamento no puede volver a su longitud inicial, lo hemos dañado.

Los modelos biomecánicos calculan la diferencia entre fase lineal y cesión y ese será el límite.

El tendón se deforma más rápido o más lento dependiendo de la velocidad con la que se aplica la carga. Sufren un mayor esfuerzo al aplicar la carga de forma rápida.

Ligamentos

Conectan huesos con huesos. Proporciona toda la estabilidad a las articulaciones. Permiten los grados de libertad de las articulaciones.

El comportamiento es similar al de los tendones. Los ligamentos están formados por fibras, que están entrelazadas en su estado de reposo (zona base), posición neutra.

Los ligamentos se comportan como un material viscoelástico, como un muelle. Son capaces de soportar la carga, a medida que pasa el tiempo soportan mayor carga y cuando es retirada recuperan su estado inicial.

Pueden cambiar la forma y disposición a lo largo del recorrido articular.

Tejido muscular

Es el más estudiado en biomecánica porque son los que permiten generar fuerzas, activando y desactivando el movimiento. Generalmente el tejido muscular representa un 40% del peso del cuerpo humano.

Funciones biomecánicas

  • Generan momentos de fuerza o par.
  • Generan fuerza a través de las articulaciones.
  • Funcionan como una bomba muscular, ayudan al retorno venoso.

Si alguna de estas funciones falla, no se puede mover el cuerpo, entramos en un estado de fatiga. Si se superan los límites se genera fatiga, se evalúa dicha fatiga a través del consumo energético de cada músculo, el consumo de minerales y su capacidad de generar fuerza. Los músculos son el principal elemento para analizar la capacidad de la persona para realizar las tareas.

Hay tres tipos:

  • Músculo esquelético: de control voluntario
  • Músculo suave: no son de control voluntario (movimientos del estómago, mantenimiento de presión sanguínea...)
  • Músculo cardíaco: genera la contracción del corazón

Estos músculos se evalúan teniendo en cuenta que el músculo es un conjunto de fibras musculares que están agrupadas. Dependiendo del número de fibras, la longitud y el tamaño del músculo se hacen una especie de modelos que realizan un símil con un circuito, suponiendo el tendón como un muelle, tenemos una fuerza de entrada con un motor y un amortiguador y muelles simulando los músculos también.

La entrada del sistema sería el sistema cerebral y la energía que es la cantidad de oxígeno y sangre que llegan al músculo activando su funcionamiento.

La capacidad muscular depende del número de fibras musculares, de la longitud y de como estén agrupadas dichas fibras.

De forma experimental se evalúa cómo se activan o desactivan los músculos, cuanto dura el músculo activado y los movimientos que nos permiten realizar, ya que las fuerzas a los que vamos a someterlos pueden generar traumatismos a largo plazo, a corto plazo y fatiga.

Podemos someter los músculos a esfuerzos estáticos y dinámicos.

  • Estáticos: fuerzas isométricas o contracciones isométricas, el músculo trabaja sin moverse
  • Dinámicos: fuerzas excéntricas, alargan las fibras musculares y concéntricas, el músculo se acorta

Aguantamos más tiempo realizando un esfuerzo dinámico, ya que expulsamos las toxinas generadas por el uso del músculo, al contrario que cuando realizamos un esfuerzo estático.

Aunque la fuerza que podemos generar en dinámicos es menor que en estáticos. La fatiga surge antes en esfuerzos dinámicos.

Se va observando el tiempo de fatiga y la cantidad de carga que se puede soportar.

En esfuerzos dinámicos se analiza la cantidad de carga que podemos soportar en función del alargamiento o acortamiento de las fibras musculares.

Y en el caso de esfuerzos estáticos, analizamos la capacidad máxima del músculo y el tiempo que podemos aguantar con el músculo activado.

La electromiografía es capaz de medir cuando se activan un grupo de fibras musculares y mide la energía de impulso. Los músculos tienen un nivel de activación, funcionan como un sistema todo o nada, mientras no se supere ese nivel no se activan las fibras musculares. Se activan al recibir la información desde la médula espinal, que dicen que se activen o no y con qué intensidad.